纳米材料发展报告篇1

关键词：石墨烯纳米银复合材料催化性能

中图分类号：TB38文献标识码：A文章编号：1674-098X（2016）08（b）-0054-03

石墨烯是由单层碳原子组成的六边形晶格结构二维碳质材料，表现出电子在内部的优异流动性以及优良的导热性能及刚度。纳米银作为贵金属纳米材料的一种，其性能与材料的大小和形貌有很大关系，银纳米材料主要应用于抗菌剂、催化剂、传感器等。燃料电池作为一种新型能源，以其效率高、无污染、原料易制备受到了研究人员的广泛研究，目前燃料电池研究中最主要问题就是催化剂的成本以及效率，燃料电池中使用的催化剂一般为纳米贵金属粒子，但由于纳米贵金属粒子在使用时易发生团聚而失去活性，降低催化效率，人们往往通过加入分散剂来降低贵金属团聚的现象，但由于分散剂不易去除且会吸附在贵金属纳米粒子活性最好的晶面上，导致影响贵金属的催化性能降低。石墨烯有良好的导电性、大比表面积、高度的电化学稳定性等优点，使贵金属负载在石墨烯上，既可以很好地解决贵金属团聚的问题又不影响其催化性能。燃料电池中使用的催化剂常见的为纳米Pt，但是Pt的储存量少，价格十分昂贵，如果使用价格相对低廉的纳米银替换纳米Pt，将使燃料电池的成本大大降低。该文采用氧化―剥离―还原法制备石墨烯，对石墨进行的强氧化反应得到氧化石墨烯，通过化学还原方法制备银/石墨烯复合材料，并对银/石墨烯复合材料的催化性能进行了研究，以期能够得到价格低廉且性能优良的催化剂。

1实验设计及实验

1.1氧化石墨烯的制备

以石墨（≥99.0%）为主要实验原料，采用氧化-剥离制备氧化石墨烯。取一定量的NaNO3按比例加入H2SO4（95%）中溶解，搅拌均匀后边搅拌边放入石墨，继续搅拌30min后，将一定量的KMnO4分多次缓慢放入混合液中，并保持水温在20℃以下，混合液在室温下连续搅拌24h，最终变成亮黄色；向混合液中加入去离子水继续搅拌，然后加热至100℃左右，向高温反应产物加入30%的H2O2溶液，将溶液搅拌至金黄色。水洗过滤，取出过滤产物，烘干，即得到氧化石墨烯。

1.2石墨烯负载纳米银复合材料的制备

采用化学还原方法，以氢氧化钠作为还原剂制备石墨烯负载纳米银复合材料。称取一定量的氧化石墨烯，在蒸馏水中超声剥离1h至溶液呈深棕色，加入硝酸银溶液继续超声振动40min，在磁力搅拌器对混合液进行加热，然后加入氢氧化钠溶液，混合液的颜色变为黑色，在离心机上对混合液进行离心，得到黑色固体，用蒸馏水对黑色固体进行清洗至液体成中性，再进行离心、干燥、研磨，得到的黑色粉末即为石墨烯负载纳米银复合材料。

1.3石墨烯负载纳米银复合材料电催化性能测试

复合材料电催化性能的测试在一室三电极体系电解池中进行。工作电极为玻碳电极（GCE，φ=3mm）、催化剂修饰的GCE电极和自支撑的催化剂电极，对电极是纯铂丝（φ=1.0mm）电极，参比电极为饱和甘汞电极（SCE）。电解质溶液为氢氧化钠和甲醇，其扫描范围为0～0.8V，扫描速率均为50mVs-1。

2结果分析及讨论

2.1氧化石墨烯的物相组成及微观形貌表征

应用X射线衍射仪及扫描电子显微镜对石墨原材料和上述实验方法制备的氧化石墨烯进行物相组成和微观形貌分析，如图1、2、3、4所示。

图1是石墨原材料的XRD图，对照PDF2卡片可以看出，实验使用的石墨原材料为六方晶系，明显出现的衍射峰分别是晶体中的（002）、（100）、（101）、（004）、（103）和（110）晶面。图2为实验制备的氧化石墨烯的XRD图，图2和图1比较出现了明显的不同，衍射峰的数目减少，且强度下降，峰形宽化，说明通过氧化-剥离方法改变了石墨的晶体结构，使之成为和石墨完全不同物相组成的新的物质――氧化石墨烯。

图3和图4分别为石墨和氧化石墨烯的SEM照片，从图中可以看出石墨和石墨烯均呈片状结构，但是石墨片较厚大，表面平滑，片状氧化石墨烯非常薄，具有较大的表面，且表面布满了褶皱，这样的表面形貌特征，将利于纳米银粒子在其上的分散，易于形成石墨烯负载纳米银复合材料。

2.2石墨烯负载纳米银复合材料物相组成和微观形貌表征

图5为石墨烯负载纳米银复合材料XRD图，从图中可以看出，石墨烯负载纳米银以后X射线衍射分析只出现了金属银的X射线衍射峰，其对应的晶面分别为（111）、（200）、（220）、（311）和（222），石墨烯的衍射峰完全没有出现，说明纳米银颗粒负载于石墨烯的表面，X射线与石墨烯的作用很弱或几乎没有作用。

图6为石墨烯负载纳米银复合材料SEM照片，从照片中可以看出，在片状石墨烯表面负载有一层颗粒非常细小的银颗粒，银颗粒的大小约20～25nm，达到了纳米尺度，纳米银颗粒大小基本一致，分布均匀，几乎把石墨烯表面全部覆盖，这也能很好地解释在XRD分析中，没有石墨烯衍射峰的原因。

2.3石墨烯负载纳米银复合材料的电催化性能

利用循环伏安法研究和分析了石墨烯负载纳米银复合材料对甲醇电催化氧化性能，测试结果如图7所示。

从图7循环伏安曲线可以看出，石墨烯负载纳米银复合材料对甲醛的催化循环伏安曲线范围为0～0.8V，当向正向扫描时，初始电流非常小，在0.4V时，电流几乎为0mA，接着电流向更正的方向扫描时，电流快速增加到0.6mA，此时对应的电位为0.57V，对应着甲醇被氧化成甲醛的氧化峰电位，随后电流急剧降低为0mA。当电位向负方向扫描时，起始电位为0.4V，后快速增加至0.25mA，此时对应着甲醛被还原的还原峰位为0.35V，随后缓慢下降至-0.1mA。综上所述，正、负向扫描的甲醇的氧化还原峰电流密度、峰电位差别较大，银/石墨烯复合材料电催化性能良好。

3结论

通过以上研究和分析，可得出如下结论。

（1）利用强氧化反应制备的氧化石墨烯从内部结构和微观形貌特征与石墨有本质的区别。

（2）通过化学还原方法制备的银/石墨烯复合材料、纳米银均匀地负载到石墨烯上。

（3）银/石墨烯复合材料具有良好的电催化性能。

参考文献

[1]姜丽丽，鲁雄.石墨烯制备方法及研究进展[J].功能材料，2012，23（43）：3185-3189.

[2]赵朝军.掺杂石墨烯的电子结构与光学性质的研究[D].西安：西安电子科技大学，2011.

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[4]吕亚芬，印亚静，吴萍，等.石墨烯物理性能研究[J].物理化学学报，2007，23（1）：5-10.

[5]MariaChristy，YunJuHwanb，YiRangLim.Improvedelectrocatalyticactivityofcarbonmaterialsbynitrogendoping[J].ScienceDirect，2014（147）：633-641.

纳米材料发展报告篇2

【关键词】Seminar教学法研究生教学纳米表面工程

【中图分类号】G643【文献标识码】A【文章编号】1674-4810（2015）33-0012-03

随着我国研究生教育事业的不断发展，为国家社会经济发展输送了大量的高层次人才。作为高层次人才培养的主要渠道，研究生教育对未来社会发展起着举足轻重的作用。为了提高研究生的培养质量，必须注重研究生的教育创新，探索研究生教学的新方法，加强研究生能力的培养。

一Seminar学习理论及其特征

1.Seminar教学法的内涵

Seminar教学法起源于18世纪的近代德国。Seminar意为“研究生为研究某问题而与教授共同讨论之班级”，也即“专题讨论会”、“研究班”或“研究班课程”，是一种结合教学活动进行的研习方式或在教学过程中开展学术研究的一种制度。Seminar通常由一名研究专家向学生提出问题或鼓励学生自己发现问题，然后在其指导下进行解决问题的活动。这种制度是以学生探讨为主的双向、多向的交流过程，是充分体现学生主体地位的教学模式。一节典型的Seminar实施的课堂一般由主持人介绍、主题报告宣讲、回应人发言、限时辩论与交流、总结与评点五部分组成。

2.Seminar教学法的主要特征

第一，教学与科研的统一。教学与科研的统一是Seminar的重要特征，教学与科研的结合在Seminar中得到充分、完美的结合。在Seminar中，教授与研究生完全改变了传统教学中的师生关系，因为教学是一个追求真理的过程，必须通过教授与研究生的研究探讨，逐步接近真理。对于选中的具体专题，教授与研究生必须明确关于这个专题前人已有的研究成果；前人已有成果的理论背景；这些理论成果有什么现实意义；如何利用别人的成果进行新的探索。这样就很好地把教学与科研完美地结合在一起，教学的过程同时也是师生共同研究的过程，二者紧密结合，不可分割。

第二，强调研究生科研能力的培养。Seminar注重研究生独立科研能力的培养。在Seminar中，教授不再以告知的方式灌输知识，转而重视研究生的独立研究及思考能力；对于每一个由研究生和教授共同确定的专题，研究生必须花费大量时间搜集资料，然后对资料进行分析整理，对前人的成果进行反思，最后提出自己的观点。这一过程是研究生独立研究的过程，可以更好地培养研究生独立学习和科研的能力，只有在研究生出现问题的时候教授才做适当的指导。

第三，注重研究生的互动与合作，师生关系平等融洽。Seminar是以小组讲座的形式进行的，这种形式为研究生的交流合作提供了多向互动的平台，它可以全方位地调动小组成员的参与热情，在激烈的探讨中激发小组成员对于问题的不同见解，促进研究生发散性思维的形成，从而激发研究生对此类问题的连锁反应，形成良好的探讨氛围。在探讨的过程中，由于教授不是以权威方式作用在讨论过程中，因此Seminar成员之间具有平等合作的基础。Seminar为研究生之间的互动提供了必要的平台，在互动过程中小组成员之间思想的碰撞就可能形成多样的解释，而每一种思想都有它独到的价值。Seminar为参与者提供了合作空间，它将合作精神引入学习生涯，有利于实现和强化合作思想。在Seminar中教授主要的作用在于控制课堂的进程，对小组成员间的讨论做进一步的指导，并最终在讨论结束后进行总结，在这一过程中，师生之间是平等的、协商的关系。

二纳米表面工程课程

1.课程基本情况

纳米表面工程是装甲兵工程学院硕士、博士研究生材料科学与工程专业的一门专业基础课程，在第一学期开设，学时为40课时。

通过课程学习，主要使学生了解纳米表面工程研究现状及其在民用工业和武器装备中的应用，熟悉纳米颗粒材料表面改性常用的技术方法，熟悉材料表面纳米薄膜、纳米复合涂层、纳米结构涂层等纳米涂覆层的分析和表征方法，了解各种纳米表面工程技术，重点掌握纳米硬膜技术、微/纳米热喷涂技术、纳米复合镀技术、纳米技术、纳米自修复技术等装备中已经取得成功应用的纳米表面工程技术，掌握纳米表面工程技术设计的基本原则，能够针对装备维修和再制造问题设计和选择纳米表面工程技术。

2.课程教学特点

从纳米表面工程的教学内容来看，作为一门专业基础课程，具有如下特点：

第一，涵盖内容广泛。纳米表面工程的教学内容涉及的学科专业知识如图1所示。由图1可知，纳米表面工程所涵盖的学科专业知识十分广泛。由于研究生入学前的知识结构各不相同，学习基础不一，因此学习本门课程只能针对研究生阶段的研究方向有重点地学习。而对于一名授课教师教授如此广泛的专业知识，也有很大的难度。

第二，各章教学内容相对独立，自成体系。由图1可以看出，《纳米表面工程》课程的教学内容建立在纳米材料特性及制备技术、分析技术等知识基础上，由相对独立的纳米硬膜技术、纳米热喷涂技术、纳米复合镀技术、纳米固体技术、纳米粘接技术、纳米复合功能涂料技术、金属表面自身纳米化技术等所组成。每种技术自成体系，有相对完善的理论知识、研究方法和研究成果。

三Seminar理论在纳米表面工程课程教学中的应用

为充分培养研究生的自学能力和创新能力，我们提倡将教学过程分为课堂教学和课题研究两个部分。课堂教学主要以教师讲授、学生研究报告和课堂讨论为主，主要在课堂内进行。课题研究主要以学生分组展开与课程相关课题研究为主。教师选择课程相关领域前沿研究的热点问题，组织学生展开讨论，并选择若干具体的方向组织学生展开研究，课题研究主要在课外进行。纳米表面工程课程Seminar组织过程如图2所示。

这种激发学生主观能动性的教学过程，一方面要求研究生课前进行广泛的阅读和认真的准备；另一方面主要通过讨论、专题研讨等方式培养学生的创造性思维，在课堂上锻炼学生的自学能力、创新能力和表达能力。

下面以纳米表面工程中的纳米复合镀技术一章的Seminar交流教学过程进行说明。

1.交流内容调研

一般而言，调研内容分为基础理论调研、国内外研究进展调研、目前存在的问题或需要改进的内容调研、应用情况调研等。

第一，基础理论调研。基础理论是本次交流内容的理论基础，应该简要介绍，而且要深入浅出。就纳米复合镀技术一章而言，所涉及的基础理论包括电化学理论、电镀理论、复合镀理论、化学镀理论等基础理论，结合纳米技术的发展进行总结和梳理。

第二，国内外研究进展调研。介绍国内外相关技术的研究发展历程及最新研究进展，通过这方面的介绍，使参加交流人员对交流内容有一个全面的认识。纳米复合镀交流内容调研流程图如图3所示。

第三，目前存在的问题或需要改进的内容调研。对于交流内容中所存在的问题，交流者应该进行总结，并进行客观的表述。这部分内容也是后续交流环节的主要内容，应该列为重点，也是准备工作的难点所在。

第四，应用情况调研。纳米表面工程这门课程与工程应用结合十分紧密，其发展也是以工程应用为背景和牵引进行的。因此，对于课程中涉及的每种技术都要结合工程应用情况进行详细介绍，不要让理论变为空中楼阁。

2.交流PPT内容制作

在交流PPT内容制作方面，主张以课本内容为主线，同时加入调研内容和自己的见解。一些对交流内容比较熟悉的学生，可以根据自己的理解进行内容安排。

3.交流与讨论

第一，汇报时间。一般而言，每次交流汇报时间安排为2课时。其中汇报时间应该控制在30～50分钟。时间过短，不利于深入分析知识点；时间太长则不能为交流提供充分的讨论时间。

第二，讨论方式。讨论方式可以分为两种。一种是边交流边讨论。此种讨论方式解决问题的时效性较强，不会出现遗忘情况。另一种是汇报完毕后集中讨论。这种讨论交流方式会增强问题的针对性和系统性，也会引起讨论的广泛性。

在组织过程中，教师可以针对情况灵活选取，以提高教学效果。

4.内容完善与再交流

根据讨论情况，汇报者要进行总结，课下针对建议内容进行再调研、再学习、再总结，教师可酌情组织简短的课上交流或课下交流，确保讨论问题得到有效解决。

在纳米复合镀一章教学中，讨论的问题主要有：（1）“纳米复合镀技术”的定义；（2）纳米材料在镀液中的应用与表征方法；（3）纳米颗粒在镀层中的强化机理。

针对以上讨论比较热烈的问题，教师主要明确以下几个问题：（1）定义、理论、论据的确切参考文献；（2）参与讨论的论点的科学性与正确性；（3）对交流内容提出改进意见和建议。

5.教学效果

该教学法已经在3轮博士、硕士研究生课程中进行了试点改革。在2013级博士教学过程中，对参与教学的7名博士研究生进行了问卷调查。结果如图5所示。7名博士生中，有6人认为该种教学方式有利于所学知识的巩固；6人认为能够开阔思路，通过讨论他人研究成果中出现的问题和失误，指导自己今后的课题研究工作；所有人都认为通过该课程教学掌握了更多有效的科研工作方法。

四小结

通过Seminar课堂教学实践，主要有如下心得体会：

第一，Seminar教学法比较适合研究生课程尤其是公共基础课程的教学。参与讨论的学生可以找到较多的共鸣点，容易引发讨论。

第二，Seminar教学法的实施离不开细致全面的准备。尽管准备工作并不是课堂教学的一个部分，但是准备工作的作用是不能忽视的，它能够直接影响课堂教学的顺利推进。前期准备工作做得认真仔细的学生，在课堂讨论的时候占据了比较大的优势，陈述也更加全面，辩驳更加有力。

第三，教师实施Seminar教学法的时候需要做好以下几个方面的工作。一是要制定一个全面的教学计划。二是在汇总整理材料的时候要认真分析。三是教师在开场介绍的时候要平铺直述，不做任何评价、不带任何观点，避免由于教师的主观好恶对参与者造成心理影响，影响学生的自我判断。同时，教师应该鼓励学生尽可能多地提出怀疑和反对意见，在讨论过程中为意见的交锋创造良好的气氛。四是要善于引导学生，驾驭整个课堂。

参考文献

纳米材料发展报告篇3

1、各国竞相出台纳米科技发展战略和计划

由于纳米技术对国家未来经济、社会发展及国防安全具有重要意义，世界各国（地区）纷纷将纳米技术的研发作为21世纪技术创新的主要驱动器，相继制定了发展战略和计划，以发表和推进本国纳米科技的发展。目前，世界上已有50多个国家制定了部级的纳米技术计划。一些国家虽然没有专项的纳米技术计划，但其他计划中也往往包含了纳米技术相关的研发。

（1）发达国家和地区雄心勃勃

为了抢占纳米科技的先机，美国早在2000年就率先制定了部级的纳米技术计划（NNI），其宗旨是整合联邦各机构的力量，加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。2003年11月，美国国会又通过了《21世纪纳米技术研究开发法案》，这标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计划，从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。

日本政府将纳米技术视为“日本经济复兴”的关键。第二期科学技术基本计划将生命科学、信息通信、环境技术和纳米技术作为4大重点研发领域，并制定了多项措施确保这些领域所需战略资源（人才、资金、设备）的落实。之后，日本科技界较为彻底地贯彻了这一方针，积极推进从基础性到实用性的研发，同时跨省厅重点推进能有效促进经济发展和加强国际竞争力的研发。

欧盟在2002—2007年实施的第六个框架计划也对纳米技术给予了空前的重视。该计划将纳米技术作为一个最优先的领域，有13亿欧元专门用于纳米技术和纳米科学、以知识为基础的多功能材料、新生产工艺和设备等方面的研究。欧盟委员会还力图制定欧洲的纳米技术战略，目前，已确定了促进欧洲纳米技术发展的5个关键措施：增加研发投入，形成势头；加强研发基础设施；从质和量方面扩大人才资源；重视工业创新，将知识转化为产品和服务；考虑社会因素，趋利避险。另外，包括德国、法国、爱尔兰和英国在内的多数欧盟国家还制定了各自的纳米技术研发计划。

（2）新兴工业化经济体瞄准先机

意识到纳米技术将会给人类社会带来巨大的影响，韩国、中国台湾等新兴工业化经济体，为了保持竞争优势，也纷纷制定纳米科技发展战略。韩国政府2001年制定了《促进纳米技术10年计划》，2002年颁布了新的《促进纳米技术开发法》，随后的2003年又颁布了《纳米技术开发实施规则》。韩国政府的政策目标是融合信息技术、生物技术和纳米技术3个主要技术领域，以提升前沿技术和基础技术的水平；到2010年10年计划结束时，韩国纳米技术研发要达到与美国和日本等领先国家的水平，进入世界前5位的行列。

中国台湾自1999年开始，相继制定了《纳米材料尖端研究计划》、《纳米科技研究计划》，这些计划以人才和核心设施建设为基础，以追求“学术卓越”和“纳米科技产业化”为目标，意在引领台湾知识经济的发展，建立产业竞争优势。

（3）发展中大国奋力赶超

综合国力和科技实力较强的发展中国家为了迎头赶上发达国家纳米科技发展的势头，也制定了自己的纳米科技发展战略。中国政府在2001年7月就了《国家纳米科技发展纲要》，并先后建立了国家纳米科技发表协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会。目前正在制定中的国家中长期科技发展纲要将明确中国纳米科技发展的路线图，确定中国在目前和中长期的研发任务，以便在国家层面上进行发表与协调，集中力量、发挥优势，争取在几个方面取得重要突破。鉴于未来最有可能的技术浪潮是纳米技术，南非科技部正在制定一项国家纳米技术战略，可望在2005年度执行。印度政府也通过加大对从事材料科学研究的科研机构和项目的支持力度，加强材料科学中具有广泛应用前景的纳米技术的研究和开发。

2、纳米科技研发投入一路攀升

纳米科技已在国际间形成研发热潮，现在无论是富裕的工业化大国还是渴望富裕的工业化中国家，都在对纳米科学、技术与工程投入巨额资金，而且投资迅速增加。据欧盟2004年5月的一份报告称，在过去10年里，世界公共投资从1997年的约4亿欧元增加到了目前的30亿欧元以上。私人的纳米技术研究资金估计为20亿欧元。这说明，全球对纳米技术研发的年投资已达50亿欧元。

美国的公共纳米技术投资最多。在过去4年内，联邦政府的纳米技术研发经费从2000年的2.2亿美元增加到2003年的7.5亿美元，2005年将增加到9.82亿美元。更重要的是，根据《21世纪纳米技术研究开发法》，在2005～2008财年联邦政府将对纳米技术计划投入37亿美元，而且这还不包括国防部及其他部门将用于纳米研发的经费。

日本目前是仅次于美国的第二大纳米技术投资国。日本早在20世纪80年代就开始支持纳米科学研究，近年来纳米科技投入迅速增长，从2001年的4亿美元激增至2003年的近8亿美元，而2004年还将增长20%。

在欧洲，根据第六个框架计划，欧盟对纳米技术的资助每年约达7.5亿美元，有些人估计可达9.15亿美元。另有一些人估计，欧盟各国和欧盟对纳米研究的总投资可能两倍于美国，甚至更高。

中国期望今后5年内中央政府的纳米技术研究支出达到2.4亿美元左右；另外，地方政府也将支出2.4亿～3.6亿美元。中国台湾计划从2002～2007年在纳米技术相关领域中投资6亿美元，每年稳中有增，平均每年达1亿美元。韩国每年的纳米技术投入预计约为1.45亿美元，而新加坡则达3.7亿美元左右。

就纳米科技人均公共支出而言，欧盟25国为2.4欧元，美国为3.7欧元，日本为6.2欧元。按照计划，美国2006年的纳米技术研发公共投资增加到人均5欧元，日本2004年增加到8欧元，因此欧盟与美日之间的差距有增大之势。公共纳米投资占GDP的比例是：欧盟为0.01%，美国为0.01%，日本为0.02%。

另外，据致力于纳米技术行业研究的美国鲁克斯资讯公司2004年的一份年度报告称，很多私营企业对纳米技术的投资也快速增加。美国的公司在这一领域的投入约为17亿美元，占全球私营机构38亿美元纳米技术投资的46%。亚洲的企业将投资14亿美元，占36%。欧洲的私营机构将投资6.5亿美元，占17%。由于投资的快速增长，纳米技术的创新时代必将到来。

3、世界各国纳米科技发展各有千秋

各纳米科技强国比较而言，美国虽具有一定的优势，但现在尚无确定的赢家和输家。

（1）在纳米科技论文方面日、德、中三国不相上下

根据中国科技信息研究所进行的纳米论文统计结果，2000—2002年，共有40370篇纳米研究论文被《2000—2002年科学引文索引（SCI）》收录。纳米研究论文数量逐年增长，且增长幅度较大，2001年和2002年的增长率分别达到了30.22%和18.26%。

2000—2002年纳米研究论文，美国以较大的优势领先于其他国家，3年累计论文数超过10000篇，几乎占全部论文产出的30%。日本（12.76%）、德国（11.28%）、中国（10.64%）和法国（7.89%）位居其后，它们各自的论文总数都超过了3000篇。而且以上5国2000—2002年每年的纳米论文产出大都超过了1000篇，是纳米研究最活跃的国家，也是纳米研究实力最强的国家。中国的增长幅度最为突出，2000年中国纳米论文比例还落后德国2个多百分点，到2002年已经超过德国，位居世界第三位，与日本接近。

在上述5国之后，英国、俄罗斯、意大利、韩国、西班牙发表的论文数也较多，各国3年累计论文总数都超过了1000篇，且每年的论文数排位都可以进入前10名。这5个国家可以列为纳米研究较活跃的国家。

另外，如果欧盟各国作为一个整体，其论文量则超过36%，高于美国的29.46%。（2）在申请纳米技术发明专利方面美国独占鳌头

据统计：美国专利商标局2000—2002年共受理2236项关于纳米技术的专利。其中最多的国家是美国（1454项），其次是日本（368项）和德国（118项）。由于专利数据来源美国专利商标局，所以美国的专利数量非常多，所占比例超过了60%。日本和德国分别以16.46%和5.28%的比例列在第二位和第三位。英国、韩国、加拿大、法国和中国台湾的专利数也较多，所占比例都超过了1%。

专利反映了研究成果实用化的能力。多数国家纳米论文数与专利数所占比例的反差较大，在论文数最多的20个国家和地区中，专利数所占比例超过论文数所占比例的国家和地区只有美国、日本和中国台湾。这说明，很多国家和地区在纳米技术研究上具备一定的实力，但比较侧重于基础研究，而实用化能力较弱。

（3）就整体而言纳米科技大国各有所长

美国纳米技术的应用研究在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等领域快速发展。随着纳米技术在癌症诊断和生物分子追踪中的应用，目前美国纳米研究热点已逐步转向医学领域。医学纳米技术已经被列为美国国家的优先科研计划。在纳米医学方面，纳米传感器可在实验室条件下对多种癌症进行早期诊断，而且，已能在实验室条件下对前列腺癌、直肠癌等多种癌症进行早期诊断。2004年，美国国立卫生研究院癌症研究所专门出台了一项《癌症纳米技术计划》，目的是将纳米技术、癌症研究与分子生物医学相结合，实现2015年消除癌症死亡和痛苦的目标；利用纳米颗粒追踪活性物质在生物体内的活动也是一个研究热门，这对于研究艾滋病病毒、癌细胞等在人体内的活动情况非常有用，还可以用来检测药物对病毒的作用效果。利用纳米颗粒追踪病毒的研究也已有成果，未来5～10年有望商业化。

虽然医学纳米技术正成为纳米科技的新热点，纳米技术在半导体芯片领域的应用仍然引人关注。美国科研人员正在加紧纳米级半导体材料晶体管的应用研究，期望突破传统的极限，让芯片体积更小、速度更快。纳米颗粒的自组装技术是这一领域中最受关注的地方。不少科学家试图利用化学反应来合成纳米颗粒，并按照一定规则排列这些颗粒，使其成为体积小而运算快的芯片。这种技术本来有望取代传统光刻法制造芯片的技术。在光学新材料方面，目前已有可控直径5纳米到几百纳米、可控长度达到几百微米的纳米导线。

日本纳米技术的研究开发实力强大，某些方面处于世界领先水平，但尚未脱离基础和应用研究阶段，距离实用化还有相当一段路要走。在纳米技术的研发上，日本最重视的是应用研究，尤其是纳米新材料研究。除了碳纳米管外，日本开发出多种不同结构的纳米材料，如纳米链、中空微粒、多层螺旋状结构、富勒结构套富勒结构、纳米管套富勒结构、酒杯叠酒杯状结构等。

在制造方法上，日本不断改进电弧放电法、化学气相合成法和激光烧蚀法等现有方法，同时积极开发新的制造技术，特别是批量生产技术。细川公司展出的低温连续烧结设备引起关注。它能以每小时数千克的速度制造粒径在数十纳米的单一和复合的超微粒材料。东丽和三菱化学公司应用大学开发的新技术能把制造碳纳米材料的成本减至原来的1／10，两三年内即可进入批量生产阶段。

日本高度重视开发检测和加工技术。目前广泛应用的扫描隧道显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等的性能不断提高，并涌现了诸如数字式显微镜、内藏高级照相机显微镜、超高真空扫描型原子力显微镜等新产品。科学家村田和广成功开发出亚微米喷墨印刷装置，能应用于纳米领域，在硅、玻璃、金属和有机高分子等多种材料的基板上印制细微电路，是世界最高水平。

日本企业、大学和研究机构积极在信息技术、生物技术等领域内为纳米技术寻找用武之地，如制造单个电子晶体管、分子电子元件等更细微、更高性能的元器件和量子计算机，解析分子、蛋白质及基因的结构等。不过，这些研究大都处于探索阶段，成果为数不多。

欧盟在纳米科学方面颇具实力，特别是在光学和光电材料、有机电子学和光电学、磁性材料、仿生材料、纳米生物材料、超导体、复合材料、医学材料、智能材料等方面的研究能力较强。

中国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等方面研究较多，主要以金属和无机非金属纳米材料为主，约占80%，高分子和化学合成材料也是一个重要方面，而在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距。

4、纳米技术产业化步伐加快

目前，纳米技术产业化尚处于初期阶段，但展示了巨大的商业前景。据统计：2004年全球纳米技术的年产值已经达到500亿美元，2010年将达到14400亿美元。为此，各纳米技术强国为了尽快实现纳米技术的产业化，都在加紧采取措施，促进产业化进程。

美国国家科研项目管理部门的管理者们认为，美国大公司自身的纳米技术基础研究不足，导致美国在该领域的开发应用缺乏动力，因此，尝试建立一个由多所大学与大企业组成的研究中心，希望借此使纳米技术的基础研究和应用开发紧密结合在一起。美国联邦政府与加利福尼亚州政府一起斥巨资在洛杉矾地区建立一个“纳米科技成果转化中心”，以便及时有效地将纳米科技领域的基础研究成果应用于产业界。该中心的主要工作有两项：一是进行纳米技术基础研究；二是与大企业合作，使最新基础研究成果尽快实现产业化。其研究领域涉及纳米计算、纳米通讯、纳米机械和纳米电路等许多方面，其中不少研究成果将被率先应用于美国国防工业。

美国的一些大公司也正在认真探索利用纳米技术改进其产品和工艺的潜力。IBM、惠普、英特尔等一些IT公司有可能在中期内取得突破，并生产出商业产品。一个由专业、商业和学术组织组成的网络在迅速扩大，其目的是共享信息，促进联系，加速纳米技术应用。

日本企业界也加强了对纳米技术的投入。关西地区已有近百家企业与16所大学及国立科研机构联合，不久前又建立了“关西纳米技术推进会议”，以大力促进本地区纳米技术的研发和产业化进程；东丽、三菱、富士通等大公司更是纷纷斥巨资建立纳米技术研究所，试图将纳米技术融合进各自从事的产业中。

欧盟于2003年建立纳米技术工业平台，推动纳米技术在欧盟成员国的应用。欧盟委员会指出：建立纳米技术工业平台的目的是使工程师、材料学家、医疗研究人员、生物学家、物理学家和化学家能够协同作战，把纳米技术应用到信息技术、化妆品、化学产品和运输领域，生产出更清洁、更安全、更持久和更“聪明”的产品，同时减少能源消耗和垃圾。欧盟希望通过建立纳米技术工业平台和增加纳米技术研究投资使其在纳米技术方面尽快赶上美国。

纳米材料发展报告篇4

TrendsinNanophysics

Theory,ExperimentandTechnology

2010,379p.

Hardcover

ISBN9783642120695

A.Aldea等著

本书源自2009年8月于罗马尼亚锡比乌召开的“纳米物理进展――理论、实验、技术”研讨会上的报告。该会议的目的是促进相关领域的专家就最近纳米物理和技术方面进行交流，同时也为更多年轻的科研人员和来自发展中国家的科研人员创造开拓视野的机会。

本书分为6个部分。第一部分为有序原子尺度结构，含2篇文章：1.有序原子尺度结构的组装及表征；2.类似一维结构在对称性方面的计算纳米力学。该部分选了几个例子，采用扫描隧道显微镜就原子态和超分子自组装进行了研究，并对诸如纳米管、纳米带等纳米物质的力学性能进行了研究。第二部分为纳米线的生长和性能。含2篇文章：1.介绍了一种纳米特异性薄膜材料――雕塑薄膜，对其光、热、化学以及生物方面的应用进行了介绍；2.GaN、InN纳米线：生长以及光电性能。第三部分介绍了纳米结构的传递现象，含4篇文章，1.金属和超导双结阵列中的电子和热传导；2.弹道晶体管；3.纳米器件应用于量子点的电子散射R-矩阵方法；4.拉廷格液体中的分数电荷。该部分对于研究在集成电路的半导体器件的纳米结构传递现象等起到重要作用。第四部分为纳米结构的光学性能，含2篇文章，1.源自表面拉曼极化声子的近场光学力场：理论与实验研究；2.纳米结构的等离子体谱学：流体动力模型。第五部分磁性纳米相和磁性与非磁性纳米复合物，含4篇文章，1.磁性纳米物质的微波频率；2.永磁性纳米物质；3.铁基纳米颗粒的磁性构型和弛豫：穆斯波尔普研究方法；4.伽马辐射原位合成Ag/PVP纳米复合。该部分就目前研究热点以及方法表征进行了详细的介绍，对于研究磁性材料的学者具有重要意义。第六部分，纳米尺度下的纳米流体。对于在流体里分散磁性纳米粒子的表征是必须的，主要由这种复杂磁性体系特殊用途决定的。含2篇文章：1.教授介绍了在溶液中磁性纳米粒子动态聚集以及其对于流体流变力学方面的影响；2.综述了在湍流经典和量化流体领域的纳米物理现象。

本书就纳米物理领域的实验和理论问题进行了系统的综述，内容丰富，对于了解该领域的发展和动向是不可多得的资料。

赵宇飞，博士生

（北京化工大学）

纳米材料发展报告篇5

关键词：纳米纤维素；复合材料；生物基纳米材料；开发；应用

中图分类号：TB332；TQ352文献标志码：A

ResearchandDevelopmentofNanocellulose-reinforcedCompositeMaterials

Abstract：Nanocelluloseisanewnano-material，whichhasbio-degradability，highertenacitythanconventionalsteeloraramidfiber（Kevlar），goodtransparency，moistureabsorbencyandconductivity.Thepaperintroducesthetechnicalfeaturesandprogressinresearchanddevelopmentofnanocellulose，andanalyzestheapplicationsandpotentialmarketofnanocellulosecompositematerials.

Keywords：nanocellulose；compositematerial；bio-basednano-material；development；application

1全球纳米纤维素市场概况

纳米纤维素是一种新型纳米材料，具有生物可降解性能，且强力高于普通的钢材或芳香族聚酰胺（Kevlar），因具有良好的透明性、吸湿性以及导电性在业内受到广泛关注。

纳米纤维素制品极高的性能/重量比，使其在应用市场展现出巨大的潜力。如北欧YTT技术中心的研究报告预测，纳米原纤化纤维素（NFC）2022年全球市场的需求量在10万t左右，2025年将达到40万t；而纳米晶纤维素（NCC）2022年市场规模应在8000t左右，2025年将超过5万t。

目前纳米纤维素已在多个领域完成了商业化应用。无毒和优良的生物相容性使其在医用组织支架、绷带、人造血管和药液控释等领域的应用取得进展；经过改性的纳米纤维素使增强相的复合材料表现出巨大的市场潜力；纳米纤维素超高的比表面积（约1000m2/g）使其成为优良的电池隔膜材料；纳米纤维素具有优良的吸水、持水和控制释放能力，其产品已在纸尿裤、医用创伤敷料、卫生巾和低热值产品中使用；用作造纸填料，添加剂量为2%～10%时，可使纸制品的强力和韧性提高50%～90%。纳米纤维素薄膜柔软且透明，可用作功能性包装材料或安全用纸；亦可以制作挠性电子产品，如挠性显示器、可弯曲电池和LED产品。

纳米纤维素在商业化方面展现出巨大的发展潜力，美国纸浆与造纸工业技术协会（TAPPI）乐观地预测，纳米纤维素在制浆造纸工业、聚合物增强复合材料、功能性薄膜、建筑材料、油气资源开发等领域，全球每年有2300万t待开发的消费能力，其中NFC占60%，NCC占20%。

2纳米纤维素研究与开发现状

2.1国内外研究概况

20世纪70年代，有实验室成功制得NFC，其后NFC产品开始在食品工业中出现，NFC透明纸制品亦相继进入人们的视线。近10年来，纳米纤维素的合成、改性技术及其复合材料的结构与性能研究等均取得了令人瞩目的进展。

2011年，世界第一套产能为100kg/d的纳米原纤化纤维素装置投入运转，次年纳米晶纤维素试验线在加拿大开始了半商业化运行。目前全球已有十几条NFC试验生产线，其中美国Maine（缅因）大学的生产装置产能达到了300t/a。另有近10条纳米晶试验生产线，其中加拿大Celluforce公司的商业化装置的产能达到了300t/a。

纳米纤维素及其产品的应用研究呈蓬勃发展态势。据统计，截至2015年全球从事纳米纤维素研究与开发的企业与机构多达167家，包括119家研究院所，其中有25个纳米纤维素研究中心。

国内纳米纤维素研究尚处于起步阶段，目前中科院、制浆造纸研究院所及相关大学开展了纳米纤维素的研究工作，2015年国家林业局启动了科研专项计划“纳米纤维素绿色制备、高值化应用技术研究”。而国内化纤业相关研究投入显得不足，几乎没有企业涉足。

2.2纳米纤维素的技术特征

纳米纤维素主要有3种类型，即纳米原纤化纤维素、纳米晶纤维素和细菌纤维素，其技术特征如表1所示。

{米纤维素取材于木浆或生物质资源，代表性制造工艺包括生物法、机械法和化学法等。纳米纤维素的生产过程主要包括两个阶段，即预处理工序和处理工序，前者多采用机械法、Tempo氧化法、羧甲基化法和生物酶法等；处理工序主要使用高剪切均化加工、超高压微细流加工和微细研磨/剪切加工。开发中的纳米纤维素及其增强复合材料的产业链如图1所示。

能耗是制约纳米纤维素生产的重要因素。随着机械研磨工艺、化学处理技术的进步以及预处理与处理工艺间的合理配置，纳米纤维素的能耗已可控制在2000kW・h/t以内，能耗成本降低了93%。

采用生物酶法制备纳米纤维素的能耗约为112MJ/kg，而采用羧甲基化工艺后纳米纤维素的能耗高达1323MJ/kg。可见，采用生物酶工艺制NFC、NCC具有明显的成本优势。生物酶法制备纳米纤维素的研究中，预处理使用的内切葡萄糖酶（Endoglucanase）单耗已可控制在0.1kg/t产品的水平，NFC生产的能耗成本仅为1欧元/t。

3纳米纤维素增强复合材料的应用

3.1纳米纤维素增强复合材料的技术经济性

纳米纤维素复合材料的强力/重量比是钢材的8倍、碳纤维的2倍。作为复合材料的增强相，纳米纤维素与传统玻纤、碳纤维等相比具有明显优势。纳米纤维素取之于可再生资源，具有生物可降解性能和良好的热稳定性，改性纳米纤维素可在200℃条件下持续使用1h，即使处于恶劣的使用环境，仍能保持使用寿命在15年以上（恶劣的使用环境如荒漠中的高温和极地处的严寒，强烈的紫外线照射，湿态与热湿态条件，化学制品环境包括油雾、酸以及液态化学品，霉菌浸蚀条件等）。

纳米纤维素展现出了优良的技术经济特性，无疑也将催生生物纳米材料的_发和使用。表2为纳米纤维素与部分复合材料常用的纤维性能一览。

碳纤维是复合材料增强相的常用选择，但碳纤维增强塑料（CFRP）苛刻的制造条件和高昂的成本使其更适用于航空航天和超豪华汽车。而低成本、低密度、易于通过改性而获得优良使用性能的纳米纤维素应是增强复合材料的新选择之一。目前纳米纤维素的生产成本约为4～10美元/kg，随着改性技术的进步，使用成本仍有下降空间。据悉日本有数十家企业、研究机构拟合作研究开发纳米纤维素，计划2030年将纳米原纤化纤维素成本降至5美元/kg或更低。目前复合材料常用的增强相材料成本大致为：高强度钢材1美元/kg、合金铝2美元/kg、E-玻纤2美元/kg、碳纤维20美元/kg，而纳米晶纤维素价格在4～10美元/kg之间，具有十分明显的竞争优势。

3.2纳米纤维素增强复合材料生命周期研究的启示

纳米纤维素作为增强相在聚丙烯、苯乙烯及聚乙烯复合材料中得以使用。研究显示，纳米纤维素苯乙烯复合材料的抗张模量指标从单一苯乙烯的2.4GPa提高到5.2GPa，苯乙烯添加量为40%（质量分数）。在NFC添加量为68%的羟乙基复合材料的开发中，其抗张模量与断裂强力分别达到了8.0GPa和20.2MPa。

高性能纳米纤维素复合材料具有实用性，而市场更关心的课题是纳米纤维素增强复合材料的环境友好特征。为评估纳米纤维素和细菌纤维素环氧树脂复合材料的环境友好特征，从原料加工、能源利用、制造流程、复合材料的使用消费以及废旧物品处理和废弃的全过程进行了研究与评估。

生命周期研究选取的物料为NFC环氧树脂（增强相质量分数为65%，下同；强力/模量比为6.30）、BC环氧树脂（增强相56%，强力/模量比5.38），对比物料为碳纤维/PP复合材料（增强相32%，强力/模量比5.09）及单一组分PLA。生命周期评价（LCA）结果显示，当纳米纤维素环氧树脂的增强相纤维容积量超过60%时，纳米纤维素增强复合材料的潜在全球变暖数据GWP（单位：kgCO2eq）和非生物源石化燃料消耗数据ADfs（单位：MJ）均可低于单一PLA材料，即NFC和BC增强环氧树脂均表现出十分良好的环境友好特征。

3.3纳米纤维素增强复合材料的应用研究

纳米纤维素是具有独特功能的材料，也是生物基复合材料的增强组分，近20年来在业内受到持续关注，被视为新一代生物基纳米复合材料。

3.3.1在汽车上的使用

未来，开发新型材料以提升乘用车的燃油效率并实现轻量化是汽车工业可持续发展的战略选择。微细-纳米纤维素材料之所以能引起汽车工业的广泛关注是基于其非常宽的可利用性、生物可再生性、低密度、环境友好性、无毒以及优良的机械性能。利用高性能/密度比的纳米纤维素复合材料作乘用车体部件，可满足或优化汽车的技术性能。过去几年间，纤维素基增强复合材料的使用呈增长态势，亚洲和欧共体诸国的汽车工业也有利用纤维素资源和改善废旧汽车部件回收利用性能的广泛需求。如福特汽车开发的生物基纳米纤维素复合材料，将以NFC为增强相的生物基聚酰胺复合材料用于汽车部件，经连续应用试验，显示其耐热性能明显优于传统PA6和PA66。

生物聚酰胺主要选用PA11、PA1010品种，并扩大到PA610。其中PA1010/NFC增强复合材料选用源于蓖麻子的100%生物基PA1010，NFC占2%～8%，该复合材料具有优良的可在高温环境下使用的性能；PA610/NFC复合材料中，PA610组分有62%取材蓖麻子，NFC添加量为2%～8%，复合材料具有十分优良的热性能，其机械性能更优于PA1010。

纳米纤维素的成本仅为碳纤维的1/10，且易于通过化学改性赋予复合物材料新的功能，市场潜力巨大。以汽车工业发达的美国为例，其乘用车市场中轿车和轻型卡车所占比例各半，一般情况下，轿车车体重量在1.57t左右，轻卡不超过2.08t。美国时下的汽车产量约为1850万辆/a，车体重量的1/3为钢材，可利用纳米纤维素复合材料置换的约为50%。据此计算，TAPPI的研究报告认为，全美汽车市场纳米纤维素的潜在用量应在156万t/a左右。

我国是汽车生产大国，2014年的汽车产量达2300万辆，汽车轻量化对复合材料用纳米纤维素的潜在需求约为228万t/a（参照美国纳米纤维素复合材料的应用研究数据计算）。预计2015―2022年间，我国汽车产能将进一步增长，纳米纤维素复合材料的市场空间也将进一步拓展。

3.3.2在3D打印上的应用

美国AmericanProcess公司和橡树岭国家实验室（ORNL）合作，利用纳米纤维素复合材料（biplus）为3D打印技术提供新的可再生材料。实验结果证明，在诸如热稳定性、高负载条件下的机械性能方面，纳米纤维素增强复合材料可以满足3D打印的需要；可部分替代高成本、取材于石油资源的碳纤维和ABS、PA66以及PC等聚合物。近年来，ORNL使用纳米纤维素的增强复合材料，在该实验室的BAAM型3D打印机上成功制得了大尺寸高尔夫汽车部件，使用的材料为纳米纤维素与聚醚亚酰胺（PEI）的增强复合材料，包括两个产品系列即聚醚亚酰胺/纳米原纤化纤维素和聚醚亚酰胺/纳米晶纤维素。

另外，瑞典Chalmers大学的研究人员经过研究也攻克了纳米纤维素与碳纳米管的混合难题，开启了3D生物打印技术（3D-bioprinter）研究与开发的新领域。

3.3.3在挠性电子产品中的应用

纳米纤维素复合材料在挠性电子器件方面的使用具有一定潜力，如用于大型挠性屏幕、挠性电脑、柔性显示屏、柔性电子纸等的开发。

日本三菱利用木浆原料制得了NFC纤维网片，纤网经过化学改性处理，并使用丙烯腈树脂浸渍，可制得纳米纤维素/丙烯腈树脂复合材料膜，产品具有良好的透明性、尺寸稳定性和柔软性，可在OLED子产品上使用。

3.3.4在功能性薄膜上的应用

纳米纤维素作为增强相已在天然或合成聚合物中使用，NCC增强复合材料薄膜也已实现商业化生产。通常情况下，使用的NCC的直径在3～30nm之间，长度50～2000nm，NCC基复合材料薄膜的特性取决于其表面化学性能、NCC之间以及NCC与聚合物间的界面因素。纳米纤维素薄膜强力高、透明性好、印刷容易、使用便当。薄膜厚度为20μm，具有一流的氧屏蔽性能，在23℃、相对湿度80%的高湿条件下，每日氧可透过率为0.8cm3・mm/m2。而NCF/环氧树脂混合薄膜的光学性能和热性能非常好，表现在单一环氧树脂薄膜的热膨胀系数（CTE）为165×106/K，而NCF/环氧树脂混合薄膜的仅为13×106/K。纳米纤维素增强复合材料薄膜在高选择性过滤介质、电池膜材料以及特种包装材料领域具有很大的市场潜力。部分纳米纤维素增强复合材料薄膜的机械特征如表3所示。

3.3.5在水泥制品上的应用

依据强力和化学反应性能特点，纳米纤维素用作复合材料有许多技术性能上的优势。研究成果显示，NCC添加量为0.2%时，混凝土制品的弯曲强力可提升30%；使用NFC的混凝土断裂能提高53%，而混合使用NCC/NFC的混凝土断裂能也可提高26%。在改善混凝土强力和刚性的研究中，添加0.5%～5%的纳米纤维素可取得令人满意的效果。

水泥工业是全球碳排放量最大的产业之一，而与此相关的建筑与土木工程每年的碳排放量约占全球碳排放总量的5%。据测算，如在水泥制品的施工中使用纳米纤维素，全球每年CO2的排放量约可减少5亿t。按美国建筑现行规范要求，如将纳米纤维素作为混凝土增强材料用于高性能结构要求的建筑与土木工程（其每年的水泥用量大约为570万t），使用面为75%，则全美每年的纳米纤维素消费潜力在2.1万t上下。

2015年我国的水泥产量达23.48亿t，其中商品用混凝土的产量约为15亿～16亿t，目前国内水泥和混凝土生产规模以及建筑与土木工程市场空间可达美国的数十倍，参照现阶段美国高性能结构土木工程施工中纤维增强材料的使用规范及要求，我国水泥用纳米纤维素的潜在市场应在20万～30万t/a之间。

4结语

纳米纤维素性能独特，其潜在的经济效益和市场容量在业内引起广泛关注。纳米纤维素原料取之于丰富的木材和农业生物质，目前市场上木浆成本在0.75美元/kg左右，而纳米原纤化纤维素成本在4～40美元/kg之间，纳米晶纤维素成本为2～15美元/kg，与传统碳纤维复合材料（CFRP）相比具有一定优势，在增强复合材料领域也远低于碳纳米管（CNT）100美元/kg的价格。

纳米纤维素用作复合材料的增强相在性能上拥有诸多优势，但仍有很多问题有待研究，如：纤维素与疏水性聚合物间的相容性，纤维素材料的湿度敏感性，纤维素的均匀分散性，纤维素耐热性不足等。

2011―2012年间，NFC、NCC相继进入商业化生产。据报道，加拿大Cellofoce公司产能为6000～15000t/a的纳米纤维素生产装置已在实施中，纳米纤维素的工业化生产无疑比人们预想的要快。基于纳米纤维素技术快速进入工业化生产的现实，国内化纤业也应关注相关领域的研究与开发，并适时投入。

参考文献

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[2]RArvidsson，DNgyen，MSvanstrom.Lifecycleassessmentofcellulosenanofibrilsproductionbymechanicaltreatmentandtwodifferentpretreatmentprocesses[J].EnvironmentalScience&Technology，2015，49（11）：6881-6890.

[3]TLindstrom，CAulin.Marketandtechnicalchallengesandopportunitiesintheareaofinnovativenewmaterialsandcompositebasedonnanocelluloses[J].ScandinavianJournalofForestReserch，2014，29（4）：345-351.

纳米材料发展报告篇6

1大会主题报告

2006年起开始创办国际仿生工程会议，为不同国家及学科领域仿生学者间提供学习和交流平台。延续前两次会议的办会理念（ICBE’06及ICBE’08），第3届国际仿生工程会议将继续致力于促进仿生学者间的学习交流，促进多学科领域间的交叉融合，促进研究手段创新和技术应用拓展，为节约能源和资源、保护环境、实现可持续发展提供新的途径和手段。本次大会主席为吉林大学任露泉院士，副主席为英国巴斯大学JulianFVVincent院士、英国诺丁汉大学YuyingYan教授及英国曼彻斯特大学PeterStansby教授。英国研究理事会、美国国家自然科学基金委员会、德国仿生学会、奥地利仿生学会、中国教育部、中国国家自然科学基金委、中国石油勘探开发研究院、英国诺丁汉大学、吉林大学等相关单位领导与代表出席了开幕式并致辞。国际著名仿生学专家德国波恩大学WilhelmBarthlott院士、英国诺丁汉大学ChrisD.Rudd教授、美国俄亥俄州立大学BharatBhushan教授、中国南京航空航天大学戴振东教授等作了大会主题报告。另有德国SIMI公司、美国Buehler公司及北京普康科健医疗有限公司等企业代表前来参会。本次会议共接收205篇，经国内外专家评审推荐后，JournalofBionicEngineering选录35篇；《中国科学》E辑选录20篇；AdvancesinNaturalSciences选录43篇；其他论文则收录在会议摘要集及光盘中。会上宣读的学术报告包括：大会主题报告4篇；仿生发展战略报告3篇；分会特邀主题报告18篇；学术报告60篇。与会者就工程仿生国际研究热点展开了广泛而深入的讨论，内容覆盖了功能仿生学、耦合仿生学、仿生材料技术、仿生行走、仿生技术在工程中的应用等5个主题，代表了国际仿生学领域最新研究成果。德国波恩大学国际著名专家WilhelmBarthlott院士揭示了荷花的微纳复合结构及化学疏水特性赋予了叶片表面超疏水与自清洁特性，并成功地将莲叶的物理-化学特性转用到工程技术中，且自20世纪90年代开始推出“莲叶效应”产品———fa觭ade涂料。并进一步模仿漂浮和沉浮植物（如红萍）叶片的长时程空气保持性，所制造的仿生产品能够保持气膜数周，其装备的船体最大减阻可达10%，具有重大的工程应用价值。英国诺丁汉大学副校长ChrisD.Rudd教授的研究领域侧重于用可吸收的增强型纤维替代合成骨材料，在会上对利用合成复合材料制备仿生骨结构的进展进行了综述，详细介绍了复杂仿生结构的制备过程，探讨了复合材料的作用以及影响纤维与基体类型的因素，在临床上取得的进展以及技术和管理问题。国际纳米摩擦学知名专家、美国俄亥俄大学生物纳米技术与仿生学纳米研究实验室主任BharatBhushan教授，介绍了其领导的实验室在纳米摩擦学领域开展的研究工作，重点介绍了自然界中荷叶表面疏水自洁与低黏附力，玫瑰花瓣超疏水与高粘附力，壁虎爪趾强吸附以及鲨鱼皮减阻增浮效应的原理，并利用这些原理进行生物模拟发展仿生纳米技术，制备出高性能的纳米仿生材料。中国南京航空航天大学戴振东教授发明设计了具有高分辨率的三维力传感器，第一次精确地测量了在不同介质上自由运动壁虎的单个足和爪趾的反作用力，这些最新获得的关于壁虎运动的机械和动力学特性为仿壁虎机器人的研究提供了重要的理论参考。

2仿生发展战略报告

美国国家自然科学基金委（NSF）土木和机械系统部主任Shih-ChiLiu先生提出新兴的交叉学科———生物感测与生物驱动（BSBA）为生命与工程的交接，对其深入研究有助于仿生技术的不断创新，也是NSF2009年度接受计划申请的焦点研究主题，且寻求与欧洲、中国、日本、韩国等国家的合作关系，为推动仿生工程的快速发展提供支持。德国BIOKONInternational负责人RainerW.Erb博士侧重于介绍仿生学会的创新管理及如何更有效地将科学知识进行成果转化，提出仿生方法与优化策略为创新产品与技术提供了有效的手段，证明了其竞争的优越性，特别以“莲叶效应”为例，指出仿生学发展的另一作用是可以推动衍生出一系列的仿生产品组合，从而产生巨大经济效益。奥地利TUBIONIK创始人IlleC.Gebeshuber教授指出当前能源紧缺是人类所面临的最大挑战，而仿生技术则是解决这一世界难题的理想手段，在报告中重点阐述了仿生工程技术如何解决能源危机，根据实例给出具体解决方法并解释其基本原理；同时揭示了仿生学的发展方向以及工程仿生应用可能产生的问题，具有前瞻指导作用。

3专题报告

根据实例给出具体解决方法并解释其基本原理；同时揭示了仿生学的发展方向以及工程仿生应用可能产生的问题，具有前瞻指导作用。

3.1功能仿生学专题英国爱丁堡大学的KhellilSefiane教授研究了纳米流体溶液蒸发和干涸的基本模式，可以作为生物体液如血清和血液干涸模式的参考，从而进一步用于临床医学诊断。亚洲理工学院的VilasMSalokhe教授详细阐述了土壤黏附与摩擦的基本特性及对耕耘部件作用力的影响，通过模仿土壤动物的某些特殊生物特性，改变触土部件表面形态，有效降低了其与土壤界面的摩擦与黏附。英国诺丁汉大学的YuyingYan教授通过对不同粗糙度仿生显微结构表面单液滴的润湿性进行研究，建立了润湿性转变的理论模型，可以有效预测液滴的润湿性转变。上海交通大学的PingCheng教授利用LBM自由能模型对质子交换膜燃料电池内气体扩散层及相邻微通道的水迁移进行模拟，证明适当改变孔隙表面分布有利于水迁移，从而可以避免电池溢流。美国康奈尔大学MichaelR.King教授及其课题组在研究中发现胶体粒子或自然形成的埃洛石纳米管的单分子膜涂层可以大大提高细胞捕获及异质细胞群选择性分离的效率，据于此通过改变siRNA遗传材料包装纳米微脂粒的过程，实现了在循环肿瘤细胞中有效进行基因传递及靶基因剪切。麦吉尔大学的DamianoPasini教授对叶柄进行了系统研究，指出组织材料、断面形态、层面结构、水压条件为影响整体功能特性的主要变量，该研究对悬臂梁的仿生设计具有重要指导意义。英国华威大学的ShujunZhang教授根据人体皮肤模型及眼探测方法提出一种彩色图像中的人脸检测方法，实验结果表明该方法不仅速度快、效率高，而且正确检测率高，具有重要应用价值。WanD.Kim教授系统介绍了其所在的韩国机械研究院在仿生技术方面的研究进展，如在可移植人工耳蜗，具有梯度结构的超疏水表面、宽波长减反射玻璃，细胞种子三维支架等方面都取得了很大成就。

3.2耦合仿生学专题韩国建国大学HoonCheolPark教授对其课题组关于甲虫AllomyrinaDichotoma模仿与控制的最新进展进行了综述，描述了甲虫的飞行参数以及翼翅折叠/展开的机制，设计了一种人工可折叠翼及一种小尺寸的电机驱动飞行器，并对其特性进行了评价。吉林大学丛茜教授对鳞翅目昆虫翅膀的表面形态、结构及润湿性进行了系统而深入的研究，根据Cassie模型建立了表面润湿方程并对其疏水机制进行了分析，揭示了疏水特性是鳞翅形态、结构及生物材料等多个因素耦合作用的结果。中国台湾国立清华大学Chu-ShiangChen教授主要侧重于集体动物异常恐慌（collectiveanimalerraticpanic，CAEP）的研究，对其主要刺激及机制进行了探索，解释了近几年来全球范围内大的自然灾害中动物的异常行为，对CAEP的深入了解有利于仿生学包括感觉与信号处理的应用与发展，特别是可以提前预测一些致命的自然灾害。吉林大学韩志武教授将耦合仿生学的新思想应用于提高机器部件的耐腐蚀特性，并将沙漠蝎子作为研究模型，根据其生物特性设计了凹槽与柔性耦合样件，试验和模拟结果表明其具有良好的耐腐蚀磨损特性，并进一步对其磨损机制进行了讨论。美国加利福尼亚大学Po-YuChen博士后详细介绍了鲍鱼壳层状复合材料的组成与强韧性机制，并对具有强吸附性的鲍鱼足的微观纳米纤维结构进行了详细研究，这对开发设计新型水下附加装置具有重要参考价值。

3.3生物材料与仿生材料中国科学院化学所江雷院士对其课题组近年来关于多尺度界面仿生材料的研究进行了综述，根据水黾足的微-纳结构制备了柱状结构阵列碳纳米管膜超疏水表面；通过加入光敏感或pH敏感共聚物，合成了具有双重功能的超疏水-超亲水表面；根据蜘蛛丝可以集水的功能制备了超疏油和低黏附的液固界面；此外还制备了一种新型仿生离子通道系统；这些研究对光电子器件、显微流体控制、生化痕量分析以及智能功能界面具有重要指导意义。德国纺织和纤维研究所ThomasStegmaier博士提出纤维基材料和工艺为仿生学的发展提供了巨大潜能；纤维强化是自然坚固结构、轻质材料和材料扩展复合物制备的必备条件，目前纤维基材料在仿生工程领域已得到广泛应用。英国牛津大学JanTCzernuszka教授以骨为例，深入阐述了如何在不同水平控制人工支架的结构与构成，并指出通道的宽度与间隔是成功制备支架的关键因素。MihaiChirita教授作为罗马尼亚生物材料学会的负责人，概述了自然界作为材料、结构、原理与规律的宝库在生物工程与制药方面潜在的仿生应用，涉及到纳米技术、制药工程、机器人、人工智能与国防等领域。美国加利福尼亚大学JoannaMcKittrick教授系统介绍了其课题组在生物结构材料方面的研究工作，对贝类、骨、牙齿、角、节肢动物外骨骼、鸟类羽毛和喙等典型生物材料的特性进行了描述和比较，特别提出多孔性在生物材料中所起到的重要作用，为生物材料的仿生学研究提供了重要的信息。比利时鲁汶大学JosseDeBaerdemaeker教授研究揭示了影响蛋壳力学特性的因素有壳膜、柱状体的分布与平均直径、有机质的分布、栅栏层蜂窝小孔的尺寸与数量、柱状体晶体结构以及真表皮层的存在。英国纽卡斯尔大学ChaozongLiu博士利用等离子体聚合技术来修饰生物材料表面以调节细胞黏附与生长，可以实现空间分辨率小于5μm的仿生模式。俄罗斯托木斯克理工大学学者BolbasovEvgeny展示了一种可用于整形学和创伤学领域的髓内植入涂层的新型复合材料，异位成骨试验表明该复合材料不会导致任何不良组织反应或诱骨发生过程。日本金泽大学MitsuhiroOgawa博士提出了一种新型血液动力学系统评估方法称为“每次心跳HPCD方法”，并对其进行了评价，该方法可以有效地评价人体心脏血管仿生系统。

3.4仿生行走专题以色列理工大学DanielWeihs教授分别介绍了喷水推进和有鳍推进的原理，展示了其在水上与水下仿生装置中的应用，并分析了可应用型仿生扑翼推进设计匮乏的原因。日本九州工业大学KazuoIshii教授及课题组成员利用进化算法对轮式运动机器人的结构和控制系统进行了模拟优化，实现了机器人野外的高效运动，并体现出低能量消耗、精确控制和稳定姿势等特点。美国凯斯西储大学RoyE.Ritzmann教授提出昆虫中央复合体是控制运动的关键所在，因此对其如何进行信息处理进行研究对控制改进机器人腿部运动具有重要参考价值。日本芝浦工业大学MiyaharaKeizo教授对不同介质上运动系统的分布式控制波形步态的仿生行走进行了研究，所设计的运动系统由许多配备有分布式控制器的相同单元构成，配置的灵活性使单元易于维护，并能够适应多种目标操作。英国曼彻斯特大学LeiRen博士，报告了稳定行走步态过程中人足复合体的三维仿真结果，运动学和动力学结果表明人足复合体相当于具有两个不同构件的力学装置，该研究更有助于我们对人足复合体运动功能的了解及人足肌骨骼结构内部设计的创新。意大利热那亚大学JoelE.Guerrero博士对有限翼展扑动翼的尾流特征进行了研究，证明翼根扑动翼与其他振动翼产生相似的尾流结构，但后者产生的涡流和力比较大，而且几乎都在相同的斯德鲁哈尔数产生相似的尾流状态。日本九州工业大学YuyaNishida和AtsushiSanada分别对基于蝗虫附肢机构的高功率关节机构的仿生设计技术及基于光学流量传感器的全方位移动机器人的自定位技术进行了研究。

3.5仿生技术在工程中的应用专题苏兰坦佩雷工业大学PasiKallio教授及课题组成员利用微纳技术发明了多种仿生微小系统用于细胞培养、细胞活化及细胞反应监测以更好地研究细胞机制，并举例描述了体外细胞检测和应用的一般特征。北京交通大学YongduanSong教授展示了一种用于非线性动态系统的基于短时记忆的控制方法，其基本原理是利用一定的传感器信息来生成新的控制命令，优点是设计与实现简单易行，不需要重新设计和程序重调。来自加拿大西蒙菲沙大学的CarloMenon教授介绍了仿生学在应用机电一体化领域的作用，强调了生物启发方法的动力与潜在意义，并在分析新型生物启发工程案例基础上提出一种用于机器人设计的仿生方法论。美国农业部区域性害虫综合治理研究实验室YubinLan教授发明了一种新的电子鼻检测技术用2011年第2期国际学术动态